基于物联网的阴极保护远程监控系统

李达江

(佛燃能源集团股份有限公司，广东佛山528000)

1 概述

2020年我国长输油气管道长约15×104km，是国家经济发展的重要基础设施，同时由于埋地管道的隐蔽性，给安全生产带来了一定风险。“防腐层+阴极保护”是油气管道腐蚀防护通用的一种经济有效的方式。其中，阴极保护是一种动态的防腐方式，随着腐蚀环境变化，其效率可能发生很大改变，阴极保护甚至变成一种破坏方式，因此需要定期对阴极保护系统参数进行测试，并及时根据测试结果调整系统。传统人工巡检方式已无法解决高压输电线路、轨道交通等带来的杂散电流干扰问题，因此对阴极保护系统实时监控和进行完整性评价迫在眉睫。

为应对日益严重的杂散电流干扰问题，肇庆佛燃天然气有限公司对管辖区域内的厂站和管道安装了基于物联网的阴极保护远程监控系统，通过对测试点的远程监控，实现对全区域厂站和管道腐蚀状况的动态分析。工作人员可以通过公用网络，随时随地掌控该阴极保护远程监控系统，同时收集的数据也成为管道完整性管理的重要组成部分。

2 基于物联网的阴极保护远程监控系统

基于物联网的阴极保护远程监控系统(以下简称阴极保护远程监控系统)由远程监控端、云服务器、数据库和PC端云平台管理软件组成。远程监控端主要由电池、数据采集器、GPS模块、物联网模块组成。数据采集器采集管道实时阴极保护数据， GPS模块采集远程监控端的位置信息，这2部分信息打包处理后通过物联网模块上传至云服务器。云服务器位于云平台上，数据库位于云服务器内，系统使用中国移动物联网ONENET平台为云平台。云服务器将接收到的数据解包处理后存储到数据库内，供PC端云平台管理软件调用。PC端云平台管理软件安装于阴极保护系统管理人员的电脑(称为监控电脑)上，管理人员可通过PC端云平台管理软件调用数据并分析处理，判断管道的阴极保护状况。当发现某处管道电位异常时，管理人员可通过PC端云平台管理软件对指定的远程监控端发出提高采样频率或其他指令，物联网模块接收指令后，由数据采集器处理执行。

3 远程监控端

远程监控端采用低功耗设计，数据采集主要通过与管道连接的极化探头完成。极化探头实质上是参比电极与试片的集合体，试片模拟处于同样腐蚀环境下管道上同等面积漏点的阴极保护状况，通过与管道连接的试片的通电电位和瞬时断电电位表征管道的管地电位和极化电位。为使这种模拟更接近真实环境，极化探头与管道的距离应小于30 cm，而且极化探头不使用填包料包覆。远程监控端采集恒电位仪或牺牲阳极输出电流、管道交流感应电压，以反映阴极保护系统的工作状态。

远程监控端的电路主要由数据采集电路、运算放大电路、模数转换电路、数字控制电路组成。数据采集电路主要用于管道交直流电压、电流等信号的采集，运算放大电路主要将采集到的微弱信号进行放大，模数转换电路主要对采集信号进行模数转换，数字控制电路对继电器通断电路进行控制和对数据采集电路参数进行配置。远程监控端安装于管道附近，通过太阳能电池供电，被检测信号通过数据采集电路完成采集后，由物联网模块发送出去。

数据采集电路处理的数据主要有直流和交流两类，通过数据采集电缆接到管道、参比电极和试片上，管道上的交直流信号汇入数据采集电路输入端。对于直流模拟信号，为避免信号对数据采集电路造成损坏，数据采集电路输入端使用高精度电阻对输入信号进行分压，同时串入一个限流电阻。根据数据处理需要，设置合适的运算放大器放大倍数，通过运算放大器将直流模拟信号放大后，送入模数转换器；对于交流模拟信号，经转换器将交流数据转换成有效值数据后送入模数转换器。

完成数据采集放大和转换后，数据被送入数字控制电路进行处理。通过参数设置对数据采集电路的分压和放大倍数进行补偿后，得到真实的采样数据。数字控制电路将数据通过物联网模块传输至云服务器。

4 中国移动物联网ONENET平台

中国移动物联网ONENET平台具有低延时、高并发及高性能的时序存储架构特性，可以支持多个远程监控端同时接入，且能够存储大量数据，这就保证了在调整远程监控端采集频率时，不用担心因采集频率过高导致数据量过于庞大，同时也能延长历史数据的保存时间，为之后数据分析打下基础。中国移动物联网ONENET平台支持多种方式及协议接入，当有需要时可以采用内网传输的方式保证数据传输的安全性。

5 PC端云平台管理软件

基于中国移动物联网ONENET平台开发了PC端云平台管理软件，将软件部署到监控电脑上，管理人员能够通过软件实时对远程监控端进行控制及数据处理。PC端云平台管理软件每日生成一份Excel报表，以微信PDF文件方式通过互联网发送给管理人员，每月存储一份数据库文件备查。在监控电脑上可以通过该软件实现查看地图、数据表以及进行数据绘图。PC端云平台管理软件管理界面见图1，发送给管理人员的微信文件见图2。

图1 PC端云平台管理软件管理界面(软件截图)

图2 发送给管理人员的微信文件(软件截图)

6 远程监控的扩展监测

远程监控工作内容通常分为常规监测和扩展监测两类。常规监测内容包括阴极保护参数及其波动范围。阴极保护系统正常工作时，这些参数是稳定的，波动范围很小。当管道受到交、直流干扰时，这些参数会长时间超过阈值或大幅波动。通过这些参数的变化，PC端云平台管理软件很容易对管道的阴极保护状态做出评价和预警，预警以微信方式发送给管理人员。当常规监测给出预警信号时，可以遥控或现场操作改变监测方式进入扩展监测。目前埋地管道主要受到交、直流杂散电流和高压直流输电系统接地极的干扰，给阴极保护系统工作状态带来不同影响，扩展监测就是对不同干扰类别进行专项监测。

① 直流杂散电流干扰

典型直流杂散电流的干扰源是以直流供电的轨道交通(地铁、轻轨等)设施，在轨道交通运营时间干扰普遍存在，在夜晚轨道交通检修期间干扰消失。根据国家标准，直流杂散电流干扰监测需要24 h以上的连续监测。如果管地电位出现白天大幅波动、夜晚波动消失的情况，则可判断为直流杂散电流干扰，进而根据波动范围采取相应的排流措施。

② 交流杂散电流干扰

交流杂散电流的干扰，主要发生在与高压输电线路平行或者交叉的管道。随着敷设于公共管线走廊的管道日益增加，这种危害的发生有增加趋势。当常规监测发现某日管道的交流感应电压均值大于4 V时发出预警，此时应按照国家标准更改远程监控端的设置，进行大于1 h的连续监测，并根据监测结果采取相应措施。有必要指出，如果交流感应电压大于15 V,此时杂散电流干扰不仅危害管道，而且威胁到附近人员的安全，必须及时采取排流措施。

③ 高压直流输电系统接地极干扰

接地极干扰是近年来随着高压直流输电系统应用而产生的新干扰形式。输电系统在工作期间不可避免地存在单极大地回路运行时段。当接地极作为输电系统正极运行时，在近接地极端(简称近端)电流将从防腐层破损处流入管道，在远接地极端(简称远端)防腐层破损处流出管道，近、远端分别成为干扰的阴极区、阳极区。反之，当接地极作为输电系统负极运行时，电流方向改变，近端变成阳极区，远端变成阴极区。

高压直流输电系统接地极干扰范围较大，干扰使管地电位长时间大幅超标，造成阳极区大量电流流失，对管道和阴极保护设施的破坏性极强，而且其发生和持续时间、接地极极性、入地电流完全随机，因此在接地极的近端管道设置无人值守的高频率远程监测点完全必要。监测间隔应小于接地极干扰的持续时间，可以通过管地电位的偏移、电流密度和试片腐蚀速率判断接地极的干扰程度。

7 阴极保护远程监控系统的使用效果

腐蚀速率检测是直接检测阴极保护效果的方法，它可以在各种干扰下最直接反映埋地管道真实腐蚀状态。对阴极保护不合格的某厂站的埋地管道采用阴极保护远程监控系统后，腐蚀速率下降到相关标准要求限值以下，效果良好。